KR102222215B1 - Led with scattering features in substrate - Google Patents

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Abstract

일 실시예에서, LED 다이의 투명한 성장 기판(38)은 레이저에 의해 형성된 공극들과 같은, 광 산란 영역들(40A-C)을 갖도록 형성된다. 다른 실시예에서, 성장 기판은 제거되고 광 산란 영역들을 갖도록 형성되는 다른 기판으로 대체된다. 일 실시예에서, 광 산란 영역들을, LED 다이의 광 흡수 영역들에 걸쳐서 형성하여, 이들 흡수 영역 상의 입사 광량을 줄이고, 또한 기판의 사이드(42A, 42B)에 걸쳐서 광 산란 영역들을 형성하여 광 가이드를 감소시킨다. 다른 실시예는 N형 금속 콘택들(28)과 같은 LED 반도체층에서 대응하는 광 생성 영역들이 없는 선택된 영역들에서 반사 입자들을 포함하도록 형성될 수 있는 대체 기판을 포함한다. 이것은 반도체층의 흡수 영역들에 재흡수되는 것을 방지하고, 이로써 디바이스의 외부 효율을 향상시킨다. 3D 구조는 반사 영역들을 포함하는 기판층들을 적층함으로써 형성될 수 있다. 기판은 LED의 상부에 부착되는 투명한 기판 또는 형광체 타일(20)일 수 있다.In one embodiment, the transparent growth substrate 38 of the LED die is formed with light scattering regions 40A-C, such as voids formed by a laser. In another embodiment, the growth substrate is removed and replaced with another substrate formed with light scattering regions. In one embodiment, light scattering regions are formed over the light absorbing regions of the LED die to reduce the amount of incident light on these absorbing regions, and also to form light scattering regions across the sides 42A and 42B of the substrate to guide the light. Reduce Another embodiment includes a replacement substrate that may be formed to contain reflective particles in selected regions without corresponding light generating regions in the LED semiconductor layer, such as N-type metal contacts 28. This prevents reabsorption in the absorption regions of the semiconductor layer, thereby improving the external efficiency of the device. The 3D structure can be formed by laminating substrate layers including reflective regions. The substrate may be a transparent substrate or a phosphor tile 20 attached to the top of the LED.

Description

기판내에 산란 특징을 갖는 LED{LED WITH SCATTERING FEATURES IN SUBSTRATE}LED with scattering characteristics in the substrate {LED WITH SCATTERING FEATURES IN SUBSTRATE}

본 발명은 발광 다이오드(LED)에 관한 것으로, 특히 LED 다이내에서 광을 산란하기 위한 기술에 관한 것이다.The present invention relates to a light emitting diode (LED), and in particular to a technique for scattering light within an LED die.

청색광을 방출하는 GaN-기반 LED에서, 성장 기판으로는 일반적으로 투명한 사파이어 기판, SiC 기판, 또는 심지어 GaN 기판이 있다. 플립 칩 LED의 경우, 광은 활성층에 의해 생성되어 투명한 기판을 통해 배출된다.In GaN-based LEDs emitting blue light, the growth substrate is generally a transparent sapphire substrate, a SiC substrate, or even a GaN substrate. In the case of a flip chip LED, light is generated by the active layer and is emitted through a transparent substrate.

도 1은 종래의 GaN-기반 플립 칩 LED 다이(10)를 예시한다. 반도체층들은 N형 층(12), 활성층(14)(양자 웰들을 형성함), 및 P형 층(16)을 포함한다. 이러한 층들은 투명한 성장 기판(18), 일반적으로 사파이어의 표면 상에 성장된다. 기판(18)의 상부에는 형광체층(20)이 퇴적된다. 형광체 입자들(22)은 활성층(14)에 의해 방출된 청색광에 의해 에너지 공급받고 파장은 광을 시프트시킨다. 형광체의 방출된 컬러가 황색인 경우, 황색광과 청색광의 조합은 백색광을 생성한다. 가상적으로 임의의 컬러 광은 이러한 방식으로 생성될 수 있다.1 illustrates a conventional GaN-based flip chip LED die 10. The semiconductor layers include an N-type layer 12, an active layer 14 (which forms quantum wells), and a P-type layer 16. These layers are grown on the surface of a transparent growth substrate 18, generally sapphire. A phosphor layer 20 is deposited on the substrate 18. The phosphor particles 22 are energized by the blue light emitted by the active layer 14 and the wavelength shifts the light. When the emitted color of the phosphor is yellow, the combination of yellow light and blue light produces white light. Virtually any color light can be produced in this way.

광 추출 효율은 LED 다이(10)를 빠져 나오는 생성된 광자들의 백분율에 관한 것이다. LED 다이를 설계함에 있어서 한가지 목적은 광 추출 효율을 증가시키기 위해 광 흡수를 최소화하는 것이다. 광 흡수에 기여하는 한가지는 기판(18)이 광 가이드로서 작용하는, 기판(18) 내부에 트랩(trap)되는 광선(24)으로 나타낸, 기판(18)에 의한 내부 전반사(TIR)이다. 물질의 인터페이스에서 매칭되지 않는 굴절률은 얕은 각도에서 그와 같은 반사를 일으킨다. 개략적인 근사치로서, GaN의 굴절률(n)은 2.5-3이고, 사파이어에 대한 굴절률은 1.77이고, 형광체에 대한 굴절률은 1.6-1.8이며, 공기에 대한 굴절률은 1이다. The light extraction efficiency relates to the percentage of photons generated exiting the LED die 10. One goal in designing an LED die is to minimize light absorption to increase light extraction efficiency. One thing that contributes to light absorption is total internal reflection (TIR) by the substrate 18, represented by light rays 24 trapped inside the substrate 18, where the substrate 18 acts as a light guide. Inconsistent refractive indices at the material's interface cause such reflections at shallow angles. As a rough approximation, the refractive index (n) of GaN is 2.5-3, the refractive index of sapphire is 1.77, the refractive index of the phosphor is 1.6-1.8, and the refractive index of air is 1.

또한, LED 반도체 층들, 하부 금속 콘택들 및 콘택들 간의 공간들은 상이한 반사율들을 갖는다. 도 1에 나타난 예에서, 노출된 P형 층(16)과 접촉하는 P-금속 콘택들(26)은 은(Ag)이기에, 높은 반사율(>95％)을 갖는다. P형 층(16)과 활성층(14)이 N-금속 콘택들(28)과 N형 층(12) 간의 오믹 콘택을 허용하기 위해 에칭 제거되는 영역들에는, 알루미늄과 같은, 반사에 둔한 금속(less reflective metal)이 사용되어, 이들 콘택 영역들을 통해서는 어떠한 광도 생성되지 않는다. 광을 반사하지 않는 콘택(26)과 콘택(28) 간의 공간들이 또한 존재한다. 광을 또한 흡수하는 반도체 특징들이 있을 수도 있다. 방출된 형광체 광은 일반적으로 등방성이기에, 광선(30)과 같은, 그러한 광의 상당한 비율은 LED 다이(10)의 광 흡수 영역들에 영향을 미친다. 다른 광선(32)은 기판(18)의 사이드에 내부적으로 반사되어 LED 다이(10)로 되돌아 가서 부분적으로 흡수되는 것을 나타낸다. 광선(33)은 P-금속 콘택(26)에 의해 효율적으로 반사되고 있는 것을 나타낸다.Further, the LED semiconductor layers, the lower metal contacts and the spaces between the contacts have different reflectances. In the example shown in Fig. 1, the P-metal contacts 26 in contact with the exposed P-type layer 16 are silver (Ag) and thus have a high reflectivity (>95%). In regions where the P-type layer 16 and the active layer 14 are etched away to allow ohmic contact between the N-metal contacts 28 and the N-type layer 12, a metal that is insensitive to reflection, such as aluminum ( less reflective metal) is used, so no light is generated through these contact areas. There are also spaces between the contact 26 and the contact 28 that do not reflect light. There may also be semiconductor features that absorb light as well. Since the emitted phosphor light is generally isotropic, a significant proportion of such light, such as ray 30, affects the light absorbing regions of LED die 10. The other light rays 32 reflect internally on the side of the substrate 18 and return to the LED die 10 to indicate that they are partially absorbed. The light rays 33 indicate that they are being efficiently reflected by the P-metal contact 26.

모든 흡수성 영역들은 LED 다이의 광 추출 효율을 감소시킨다.All absorptive regions reduce the light extraction efficiency of the LED die.

필요한 것은 LED 다이 내에서 광흡수를 감소시킴으로써 광 추출 효율을 높이기 위한 기술이다.What is needed is a technology to increase light extraction efficiency by reducing light absorption within the LED die.

일 실시예에서, LED 다이의 투명한 성장 기판은 레이저 또는 다른 방법을 이용하여 형성된 공극들과 같은, 광 산란 영역들을 갖도록 형성된다. 다른 실시예에서, 성장 기판은 제거되고 광 산란 영역들을 포함하는 다른 투명한 기판으로 대체된다. 일 실시예에서, 광 산란 영역들을, 광을 생성하지 않는 LED 다이의 광 흡수 영역들 중 일부 또는 전체에 걸쳐서 형성하여, 이들 흡수 영역 상의 입사 광량을 줄이고, 또한 기판의 사이드에 걸쳐서 광 산란 영역들을 형성하여 광 가이드를 감소시킨다.In one embodiment, the transparent growth substrate of the LED die is formed with light scattering regions, such as voids formed using a laser or other method. In another embodiment, the growth substrate is removed and replaced with another transparent substrate comprising light scattering regions. In one embodiment, light scattering regions are formed over some or all of the light absorbing regions of the LED die that do not generate light to reduce the amount of incident light on these absorbing regions, and also to reduce the amount of light scattering regions across the side of the substrate. Formed to reduce the light guide.

기판이 성장 기판을 대체하는 경우, 기판은, 선택된 영역들에서, TiO2 입자들 또는 반사 금속 플레이크들과 같은 반사 입자들을 포함하도록 형성될 수 있다. 3D 구조는 반사 영역들을 포함하는 기판층들을 적층함으로써 형성될 수 있다.When the substrate replaces the growth substrate, the substrate may be formed to include, in selected regions, reflective particles such as TiO 2 particles or reflective metal flakes. The 3D structure can be formed by laminating substrate layers including reflective regions.

다른 실시예에서, 기판은 광 산란 측벽들을 갖도록 형성된 비투과성 형광체층이다.In another embodiment, the substrate is a non-transmissive phosphor layer formed with light scattering sidewalls.

형광체층은 LED의 상부에 부착되는 타일일 수 있거나, 액체 바인더에서 입자들로서 퇴적될 수 있거나, 전기 영동에 퇴적되거나, 다른 방법들에 의해 퇴적될 수 있다.The phosphor layer may be a tile attached to the top of the LED, may be deposited as particles in a liquid binder, electrophoretically deposited, or by other methods.

기타 실시예들이 기술된다.Other embodiments are described.

도 1은 광선들이 LED 다이에 의해 흡수되는 다양한 방식들을 나타내는 LED 다이의 단면도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따라, 광 산란 영역들을 포함하는 기판을 포함하는 LED 다이의 단면도이다.
도 3은 도 2의 구조에서 광선들이 LED 다이의 광 흡수 영역들로부터 그리고 기판의 사이드로부터 어떻게 방향 전환되는지를 예시한다.
도 4는 기판에서 광 산란 영역들의 대안적인 패턴을 나타내는 LED 다이의 단면도이다.
도 5는 산란 영역들을 갖는 기판이 LED 반도체 층들에 어떻게 부착될 수 있는지를 예시한다.
도 6은 광 산란 측벽들을 갖는 기판이 어떻게 형성될 수 있는지를 예시한다.
도 7은 박쥐 날개 모양의 광 방출 패턴을 생성하기 위한 중심 광 산란 영역을 갖는 기판을 예시한다.
도 8은 타일이 광 산란 측벽들을 갖는, LED 반도체 층들 상에 부착된 형광체 타일을 예시한다.
도 9는 기판이 원하는 광 산란 영역들을 생성하기 위해 다수의 층들을 사용하여 어떻게 형성될 수 있는지를 예시한다.
동일 또는 유사한 엘리먼트들에는 동일한 참조부호가 부여되어 있다.1 is a cross-sectional view of an LED die showing the various ways light rays are absorbed by the LED die.
2 is a cross-sectional view of an LED die including a substrate including light scattering regions, in accordance with an embodiment of the present invention.
3 illustrates how the light rays are redirected from the light absorbing regions of the LED die and from the side of the substrate in the structure of FIG. 2.
4 is a cross-sectional view of an LED die showing an alternative pattern of light scattering regions in a substrate.
5 illustrates how a substrate with scattering regions can be attached to the LED semiconductor layers.
6 illustrates how a substrate with light scattering sidewalls can be formed.
7 illustrates a substrate having a central light scattering region for generating a bat wing shaped light emission pattern.
8 illustrates a phosphor tile attached on LED semiconductor layers, the tile having light scattering sidewalls.
9 illustrates how a substrate can be formed using multiple layers to create the desired light scattering regions.
The same or similar elements are given the same reference numerals.

도 2는 기판(38)을 제외하고 도 1의 LED 다이(10)와 동일할 수 있는 LED(36)를 예시한다. 기판(38)은 LED 반도체들이 에피택셜 성장된 성장 기판일 수 있거나, 성장 기판이 제거된 이후에 LED 반도체층들에 부착된 기판일 수 있다. 2 illustrates an LED 36 that may be identical to the LED die 10 of FIG. 1 except for the substrate 38. The substrate 38 may be a growth substrate in which LED semiconductors are epitaxially grown, or may be a substrate attached to the LED semiconductor layers after the growth substrate is removed.

기판(38)은 기판(38) 내에서 광 가이드를 감소시키기 위해 광 흡수 영역들 중 일부 또는 전부에 걸쳐서 광 산란 영역들(40A, 40B 및 40C)을 가지고 측벽들 중 일부 또는 전부에 걸쳐서 광 산란 영역들(42A 및 42B)을 갖도록 형성된다. 산란 영역들(42A 및 42B)은 측벽들 주위의 연속적인 산란 영역 링의 일부일 수 있다.The substrate 38 has light scattering regions 40A, 40B and 40C over some or all of the light absorbing regions to reduce the light guide within the substrate 38 and scattering light over some or all of the sidewalls. It is formed to have regions 42A and 42B. The scattering regions 42A and 42B may be part of a continuous scattering region ring around the sidewalls.

일 실시예에서, 기판(38)은 LED 반도체 층들이 에피택셜 성장된 사파이어 성장 기판이다. 산란 영역들(40A-40C, 42A 및 42B)은 반도체층들이 성장되기 이전에 또는 이후에 공극(void)들의 어레이로서 형성될 수 있다. 산란 영역들(40A-40C, 42A 및 42B)은 다면체 또는 둥근 형상과 같은, 임의의 3D 형상을 가질 수 있다. 펄스 레이저는 공극들을 생성하는데 사용될 수 있다. 투명한 재료들 내에 도트들(공극들)을 이용하여 이미지들을 기록하거나 생성하기 위해 펄스 레이저들을 이용하는 것은 공지되어 있지만; 이 기술은 LED 다이에서 광을 산란시키기 위해 사용되지는 않았다.In one embodiment, the substrate 38 is a sapphire growth substrate on which LED semiconductor layers have been epitaxially grown. The scattering regions 40A-40C, 42A and 42B may be formed as an array of voids before or after the semiconductor layers are grown. The scattering regions 40A-40C, 42A and 42B may have any 3D shape, such as a polyhedral or round shape. Pulsed laser can be used to create voids. It is known to use pulsed lasers to write or generate images using dots (voids) in transparent materials; This technique was not used to scatter the light on the LED die.

다른 실시예에서, 성장 기판은 반도체층들이 성장된 후, 예를 들어, 레이저 리프트-오프(laser lift-off)에 의해 제거되고, 다른 기판은 반도체 층들, 예를 들어 N형 층(12)에 부착된다. 그러한 기판들은 예를 들어, 유리, 사파이어, SiC, 플라스틱, 에폭시, 또는 세라믹일 수 있다. 기판(38)은 에폭시 또는 실리콘과 같은, 임의의 적절한 접착제에 의해 또는 직접적으로 LED 반도체 층들에 기판 재료를 용융시킴으로써 LED 반도체 층들에 부착될 수 있다. 부착된 기판들의 경우, 산란 영역들(40A-40C, 42A 및 42B)은 공극들 또는 광 산란 입자들로서 형성될 수 있다. 기판(38)은 공극들을 형성하기 위해 펄스 레이저 처리를 겪을 수 있거나, 광 산란 입자들을 선택 영역들에 포함시키기 위해 몰딩될 수 있다. 몰딩을 위해, 큰 기판 웨이퍼 몰드가 제공될 수 있고, 기판 재료가 액체 형태로 있는 동안 스크린 인쇄 공정 또는 다른 공정을 이용하여 선택된 영역들에 반사 입자들이 주입될 수 있다. 다음으로, 성장 기판이 제거된 이후에 몰딩된 기판을 경화시켜서 LED 웨이퍼에 부착시킨다. 기판(38)을 형성하는 다른 방식들로는, (도 9에 나타낸) 층들을 적층하는 방식, 또는 3D 인쇄 방법들을 이용하는 방식을 상상할 수 있다. 다음으로, 부착된 기판은 LED 제조 공정의 나머지를 위한 기계적인 지지대를 제공한다. 다음으로, LED 웨이퍼는 싱귤레이트된다.In another embodiment, the growth substrate is removed after the semiconductor layers are grown, e.g., by laser lift-off, and the other substrate is applied to the semiconductor layers, e.g., N-type layer 12. Attached. Such substrates can be, for example, glass, sapphire, SiC, plastic, epoxy, or ceramic. The substrate 38 may be attached to the LED semiconductor layers by melting the substrate material directly into the LED semiconductor layers or by any suitable adhesive, such as epoxy or silicone. In the case of attached substrates, the scattering regions 40A-40C, 42A and 42B may be formed as voids or light scattering particles. The substrate 38 may be subjected to pulsed laser treatment to form the voids, or may be molded to incorporate light scattering particles into the selected regions. For molding, a large substrate wafer mold can be provided, and reflective particles can be implanted in selected areas using a screen printing process or other process while the substrate material is in liquid form. Next, after the growth substrate is removed, the molded substrate is cured and attached to the LED wafer. As other ways of forming the substrate 38, one can envision a way of stacking layers (shown in Fig. 9), or a way of using 3D printing methods. Next, the attached substrate provides a mechanical support for the rest of the LED manufacturing process. Next, the LED wafer is singulated.

반사 입자들은 예를 들어, TiO2 플레이크들 또는 Ag 플레이크들과 같은, 반사 금속 플레이크들일 수 있다. 일 실시예에서, 플레이크들은 0.1-10 미크론 넓이 사이의 범위에 있을 수 있다. 플레이크들은 광을 산란시키도록 의도되기 때문에, 플레이크들의 반사면들은 랜덤 각도에 있을 수 있다. LED 다이의 일반적인 폭은 대략 1mm 정도이다.The reflective particles can be reflective metal flakes, such as, for example, TiO 2 flakes or Ag flakes. In one embodiment, the flakes may range between 0.1-10 microns wide. Because the flakes are intended to scatter light, the reflective surfaces of the flakes can be at random angles. The typical width of an LED die is about 1mm.

도 2의 예에서, 산란 영역들(40A, 40B 및 40C)은 일반적으로 광이 생성되지 않는, LED 다이의 비활성 부분들 전반에 걸쳐서 형성된다. 따라서, 산란 영역들(40A-40C)은 위로 향하여 방출되는 광을 차단하지 못한다. 산란 영역들(40A-40C)은 또한 바람직하게는 예를 들어, 금속 콘택(26)과 금속 콘택(28) 사이의 빈약한 반사면들인 영역들 전반에 걸쳐서 또는 N-금속 콘택들(28) 전반에 걸쳐서 형성된다. 콘택(26)과 콘택(28) 사이를 통과하는 광은, 일반적으로 빈약한 반사체(reflector)들인, 임의의 하부에 놓여진 서브마운트 또는 인쇄 회로 기판에 의해 위를 향하여 반사될 것이다. 바람직하기로는, P형 층(16)과 접촉시키기 위해 사용되는, 반사율이 높은 은 콘택들(26) 전반에 걸쳐서 산란 영역들이 존재하지 않게 하는 것이다.In the example of FIG. 2, scattering regions 40A, 40B and 40C are formed throughout the non-active portions of the LED die, where no light is generally generated. Accordingly, the scattering regions 40A-40C cannot block light emitted upward. The scattering regions 40A-40C are also preferably throughout the regions which are, for example, poorly reflective surfaces between the metal contact 26 and the metal contact 28 or across the N-metal contacts 28. It is formed over. Light passing between contact 26 and contact 28 will be reflected upwards by any underlying submount or printed circuit board, which are generally poor reflectors. Preferably, there are no scattering regions throughout the highly reflective silver contacts 26 used to contact the P-type layer 16.

각각의 산란 영역(40A-40C)의 형상은 차단될 특별한 하부에 놓여진 영역에 맞추어질 것이다. 형상들은 직사각형, 원형, 기타 등등일 수 있다. 각각의 산란 영역(40A-40C)의 두께는 산란 영역(40A-40C)의 구조에 따라 좌우된다. 예를 들어, 산란 영역(40A-40C)이 반사성 플레이크들을 포함하고, 플레이크들의 매우 얇은 층만이 하부에 놓여진 영역에 광이 영향을 미치는 것을 적당하게 차단할 필요가 있다면, 얇은 층만이 요구된다. 층은 10 미크론만큼 얇을 수 있지만, 일반적으로 50 미크론 두께 근방일 것이다.The shape of each scattering area 40A-40C will be tailored to a special underlying area to be blocked. Shapes can be rectangular, circular, etc. The thickness of each scattering area 40A-40C depends on the structure of the scattering area 40A-40C. For example, if the scattering regions 40A-40C contain reflective flakes and only a very thin layer of flakes needs to adequately block light from affecting the underlying region, only a thin layer is required. The layer can be as thin as 10 microns, but will generally be around 50 microns thick.

일 실시예에서, 기판(38)은 대략 75-300 미크론 두께이다. 따라서, 기판(38)의 하부 근방의 산란 영역들(40A-40C)은 형광체층(20)으로부터 25-250 미크론 떨어져 있을 수 있다.In one embodiment, the substrate 38 is approximately 75-300 microns thick. Accordingly, the scattering regions 40A-40C near the lower portion of the substrate 38 may be 25-250 microns apart from the phosphor layer 20.

도 2와 일부 다른 도면들에서, 형광체층(20)은 LED 다이의 상부 위쪽에만 나타나 있다. 그러나, 형광체층은 또한 모든 실시예들에서 기판(38)과 반도체 층들의 측벽들을 커버할 수 있다.In Figure 2 and some other figures, the phosphor layer 20 is shown only above the top of the LED die. However, the phosphor layer may also cover the substrate 38 and sidewalls of the semiconductor layers in all embodiments.

도 3은 산란 영역에 영향을 미치는 활성층(14)과 형광체 입자들(22)에 의해 생성되는 다양한 광선들을 예시한다. 광선(46)은 활성층(14)에 의해 생성되고, 기판(38)이 매우 빈약한 광 가이드가 되도록 입사각에서보다 오히려 다양한 방향으로 산란 영역(42B)에 의해 산란된다(즉, 광은 극소수만이 반사된 이후에 빠져 나갈 것이다).3 illustrates various light rays generated by the active layer 14 and phosphor particles 22 that affect the scattering region. The light rays 46 are generated by the active layer 14 and are scattered by the scattering regions 42B in various directions rather than at the angle of incidence so that the substrate 38 becomes a very poor light guide (i.e. Will exit after reflection).

광선(48)은 형광체 입자(22A)로부터 방출되고, 산란 영역(40A)에 의해 광 흡수 영역으로부터 벗어나서 방향 전환된다. 광선(50)은 형광체 입자(22B)에 의해 방출되고 P-금속 콘택(26)에서 반사된다. 광선(52)은 형광체 입자(22C)에 의해 방출되고, 산란 영역(42A)에서 다수의 반사면에 의해 상방 및 하방 양쪽 방향으로 방향 전환된다.The light rays 48 are emitted from the phosphor particles 22A and are diverted away from the light absorption region by the scattering region 40A. Light rays 50 are emitted by phosphor particles 22B and reflected at P-metal contacts 26. The light rays 52 are emitted by the phosphor particles 22C, and are diverted in both upward and downward directions by a plurality of reflective surfaces in the scattering region 42A.

도 4는 산란 영역들(56A-56C)이 LED 다이의 흡수 영역들 위에 놓이거나 LED 다이의 비-광-생성 영역 위에 놓이는 기판(57)의 상부 근방에 형성될 수 있다는 것을 예시한다. 반도체층들 또는 하부에 놓여진 층들에 의한 임의의 흡수를 회피하는, 산란 영역(56A)에서 광선(58)이 반사되는 것을 나타낸다.4 illustrates that the scattering regions 56A-56C may be formed near the top of the substrate 57 overlying the absorbing regions of the LED die or over the non-light-generating region of the LED die. It indicates that the light rays 58 are reflected in the scattering region 56A, which avoids any absorption by the semiconductor layers or underlying layers.

도 5는 도 4의 LED 구조가 어떻게 형성될 수 있는지 예시한다. LED 반도체 층들이 성장된 후, 성장 기판은 제거되고, 기판(57)은 N형 층(12)의 상부에 부착된다. 실리콘의 얇은 층은 접착제로서 이용될 수 있다. 부착은 진공 환경에서 열과 압력하에서 수행될 수 있다. 대안적으로, 기판(57)을 부드럽게 하여 직접적으로 N형 층(12)에 융합시킨다. N형 층(12)은 우선 광 추출을 늘리고 접착시 도움을 주기 위해 거칠게 될 수도 있다.5 illustrates how the LED structure of FIG. 4 can be formed. After the LED semiconductor layers are grown, the growth substrate is removed, and the substrate 57 is attached on top of the N-type layer 12. A thin layer of silicone can be used as an adhesive. Attachment can be carried out under heat and pressure in a vacuum environment. Alternatively, the substrate 57 is softened and fused directly to the N-type layer 12. The N-type layer 12 may first be roughened to increase light extraction and aid in bonding.

일 실시예에서, 산란 영역들(42A, 42B 및 56A-56C)은 기판 웨이퍼가 형성될 때 기판내에 몰딩된다.In one embodiment, the scattering regions 42A, 42B and 56A-56C are molded into the substrate when the substrate wafer is formed.

다음으로, 형광체층(20)은 기판(57) 위에 형성된다. 형광체층(20)은 또한 기판(57)과 LED 층들의 사이드 위에 형성될 수도 있다. 일 실시예에서, 형광체층(20)은 실리콘의 얇은 층에 의해 기판(57)에 부착되는 타일이다. 형광체층(20)은 또한 액체로서 퇴적되어 경화될 수 있고, 또는 전기 영동에 의해 퇴적될 수 있다.Next, the phosphor layer 20 is formed on the substrate 57. The phosphor layer 20 may also be formed over the substrate 57 and the side of the LED layers. In one embodiment, the phosphor layer 20 is a tile that is attached to the substrate 57 by a thin layer of silicon. The phosphor layer 20 may also be deposited and cured as a liquid, or may be deposited by electrophoresis.

도 6은 중심 산란 영역(60)과 기판(64)의 측벽들을 형성하는 산란 영역들(62A 및 62B)을 갖는 다른 실시예를 예시한다. 산란 영역들(62A 및 62B)은 측벽들을 따르는 연속적인 산란 영역 링의 일부일 수 있다. 산란 영역들은 흡광을 감소시키기 위해 산란 영역들의 이용에 상관없이, 원하는 방출 패턴을 달성하기 위해 어디든 배치될 수 있다. 특정한 방출 패턴을 달성하는 것은 LED 이미지가 예를 들어, 포물면 거울 또는 프로젝터에 의해 확대될 때 특히 중요하다. 산란 영역들(62A 및 62B)로부터의 산란이 크면, 이 실시예는 형광체층(20)을 통해 배출되는 광량을 증가시켜야 한다. 이것은 디바이스의 표면 위의 컬러 균일성을 향상시킨다.6 illustrates another embodiment with a center scattering region 60 and scattering regions 62A and 62B forming sidewalls of the substrate 64. The scattering regions 62A and 62B may be part of a continuous scattering region ring along the sidewalls. The scattering regions can be placed anywhere to achieve the desired emission pattern, regardless of the use of the scattering regions to reduce absorption. Achieving a specific emission pattern is particularly important when the LED image is magnified, for example by a parabolic mirror or projector. If the scattering from the scattering regions 62A and 62B is large, this embodiment should increase the amount of light emitted through the phosphor layer 20. This improves color uniformity over the surface of the device.

중심 산란 영역(60)은 제거될 수 있고, 산란 영역들(62A 및 62B)은 LED 다이로부터의 임의의 사이드 방출을 제한하고 전방 방출을 향상시킨다.The central scattering region 60 can be eliminated, and the scattering regions 62A and 62B limit any side emission from the LED die and enhance forward emission.

도 7은 박쥐 날개 모양의 방출 패턴을 형성하기 위한 산란 영역(68)의 다른 형상을 예시한다. 산란 영역(68)은 원하는 방출 패턴을 제공하기 위해 위에서 아래쪽을 향해서 보았을 때 중앙 정사각형 또는 원형을 형성할 수 있다. 일 실시예에서, 산란 영역(68)의 직경은 약 300 미크론이다. 형광체층(70)은 디바이스의 사이드들 위로 그리고 서브마운트(72) 또는 인쇄 회로 기판 표면 아래쪽으로 연장되는 등각의 층으로서 나타나 있다. 기판(73)은 또한 측벽들의 임의의 일부를 형성하는 산란 영역들을 가질 수도 있다.7 illustrates another shape of the scattering area 68 to form a bat wing shaped emission pattern. The scattering area 68 may form a central square or circle when viewed from top to bottom to provide a desired emission pattern. In one embodiment, the diameter of the scattering area 68 is about 300 microns. The phosphor layer 70 is shown as a conformal layer extending over the sides of the device and below the submount 72 or printed circuit board surface. Substrate 73 may also have scattering regions forming any part of the sidewalls.

도 8은 형광체 타일(78)내에 형성된 측벽 산란 영역들(76A 및 76B)을 예시한다. 산란 영역들(76A 및76B)은 측벽들을 따른 연속적인 산란 영역 링의 일부일 수 있다. 도 8에는, 투명 기판은 사용되지 않고 성장 기판은 제거되어 있다. 형광체 타일(78)은 반도체 층들에 부착되기 이전에 미리 형성된 실리콘 바인더에 주입되는 형광체 분말일 수 있다. 반사성 플레이크들은 형광체 웨이퍼를 형성할 때 몰드내에 스크린 인쇄될 수 있다. 다음으로, 형광체 웨이퍼는 실리콘의 얇은(< 10 미크론) 층에 의해 LED 웨이퍼의 상부에 부착될 수 있으며, 여기서 최종적인 웨이퍼는 궁극적으로 싱귤레이트된다. 산란 영역들(76A 및 76B)은 임의의 사이드 방출을 제한한다. 이 구조에서, 형광체 타일(78)은 또한 기판의 역할을 한다. 이 구조는 자동차 헤드라이트들 및 프로젝터들에 특히 적합할 수 있다.8 illustrates sidewall scattering regions 76A and 76B formed in the phosphor tile 78. The scattering regions 76A and 76B may be part of a continuous scattering region ring along the sidewalls. In Fig. 8, the transparent substrate is not used and the growth substrate is removed. The phosphor tile 78 may be a phosphor powder injected into a silicon binder previously formed before being attached to the semiconductor layers. Reflective flakes can be screen printed in a mold when forming a phosphor wafer. Next, the phosphor wafer can be attached to the top of the LED wafer by a thin (<10 micron) layer of silicon, where the final wafer is ultimately singulated. Scattering regions 76A and 76B limit any side emission. In this structure, the phosphor tile 78 also serves as a substrate. This structure may be particularly suitable for automotive headlights and projectors.

도 9는 3D 기판이 어떻게 형성될 수 있는지를 예시하고, 여기서 산란 영역들(80A-80C)은 예를 들어, 스크린 인쇄에 의해 또는 몰드를 이용하는 것에 의해, 이에 후속하여 열 및 압력하에서 제2 기판층(84)에 대한 라미네이션에 의해, 제1 기판층(82)의 상부면에 형성된다. 제2 기판층(84)은 측벽들을 형성하는 추가적인 산란 영역들(86A 및 86B)을 구비하는 것으로 나타나 있다. 산란 영역들의 임의의 3D 패턴은 기판 재료의 층들을 적층함으로써 형성될 수 있다. 이런 방식으로, 산란 영역은 기판 내부에 형성될 수 있다.9 illustrates how a 3D substrate can be formed, wherein the scattering regions 80A-80C are, for example, by screen printing or by using a mold, followed by a second substrate under heat and pressure. It is formed on the upper surface of the first substrate layer 82 by lamination on the layer 84. The second substrate layer 84 is shown to have additional scattering regions 86A and 86B forming sidewalls. Any 3D pattern of scattering regions can be formed by stacking layers of substrate material. In this way, the scattering regions can be formed inside the substrate.

일반적으로, 산란 영역들은, 산란 영역들이 광 방출을 성형(shape)하는데 사용되지 않는 한, 성능에 유해할 수 있는 곳에 배치되지 않는다. 최적의 영역들을 결정하기 위한 시뮬레이션들이 수행될 수 있으며 산란 영역들은 광 추출 효율을 극대화하도록 성형된다. 일반적으로 흡수가 높고 광을 생성하지 않는 곳은 LED 반도체 층들의 에지들을 포함한다. 일 실시예에서, 산란 영역은 어떠한 광도 생성되지 않는 반도체 층들의 에지의 위에 놓인 기판의 하부 근방에 단일 링으로서 형성된다.In general, the scattering regions are not placed where they can be detrimental to performance, unless the scattering regions are used to shape the light emission. Simulations to determine the optimal regions can be performed and the scattering regions are shaped to maximize light extraction efficiency. Where absorption is generally high and does not produce light, it includes the edges of the LED semiconductor layers. In one embodiment, the scattering region is formed as a single ring in the vicinity of the bottom of the substrate overlying the edge of the semiconductor layers where no light is generated.

일부 애플리케이션들에서, 기판 표면은 광을 추가적으로 산란시키고 및/또는 광 추출을 향상시키기 위해 텍스처(texture)된다. 본 발명은 본 발명의 실시예들이 광을 산란시키기 위해 (표면 바로 위에 아닌)기판 내에 반사 입자들 또는 반사 공극들을 도입한다는 점에서 그러한 표면 텍스처링과 상이하다.In some applications, the substrate surface is textured to further scatter light and/or enhance light extraction. The present invention differs from such surface texturing in that embodiments of the present invention introduce reflective particles or reflective voids in the substrate (not just above the surface) to scatter light.

일 실시예에서, 부착된 기판은 광 확산 입자들(예를 들어, TiO2)이 균일하게 주입되는 기판과 같이, 일부 광을 본질적으로 산란시키는 벌크 재료로 형성된다. 본 발명의 광 산란 영역들은 기판의 벌크 재료를 변경함으로써 소정 영역들에 걸쳐서 산란을 향상시킬 것이다.In one embodiment, the attached substrate is formed of a bulk material that essentially scatters some light, such as a substrate to which light diffusing particles (eg, TiO 2) are uniformly implanted. The light scattering regions of the present invention will enhance scattering over certain regions by changing the bulk material of the substrate.

LED들의 소정 애플리케이션들에서, LED 다이는 다른 LED 다이들을 갖는 시스템내에 또는 반사 챔버내에 위치한다. 이런 경우에, 외부에서 생성된 광은 LED 다이에 영향을 미친다. 본 발명은 또한 광이 외부에서 생성되는 LED 다이에 의한 광 흡수를 줄이는데 사용될 수 있다. 따라서, 시스템 효율이 향상된다.In certain applications of LEDs, the LED die is located in a reflective chamber or in a system with other LED dies. In this case, externally generated light affects the LED die. The invention can also be used to reduce light absorption by an LED die in which light is generated externally. Thus, system efficiency is improved.

본 발명의 특정 실시예들이 도시되고 설명되었지만, 더 넓은 양상들에 있어서 본 발명으로부터 벗어나지 않고서 변경들 및 수정들이 이루어질 수도 있으며, 따라서 첨부된 청구항들은 그러한 변경들 및 수정들 전부를 본 발명의 진정한 사상 및 범주 내에 있는 것으로서 그들의 범주 내에 포괄한다는 것이 본 기술분야의 숙련된 자들에게 명백할 것이다.While specific embodiments of the present invention have been shown and described, changes and modifications may be made in broader aspects without departing from the invention, and the appended claims thus disclose all such changes and modifications to the true spirit of the invention And it will be apparent to those skilled in the art that it is encompassed within their scope as being within the scope.

Claims (17)

발광 디바이스로서,
발광면, 광을 생성하는 영역들 및 광을 생성하지 않는 영역들을 포함하는 발광 다이오드(LED) 반도체 층들;
상기 발광면 위에 놓이며 상기 LED 반도체 층들에 부착되는 기판; 및
광을 생성하지 않는 LED 반도체 영역들 중 적어도 하나의 위에 있고 광을 생성하는 LED 반도체 영역들 위에 있지 않은, 상기 기판 내에 있는 하나 이상의 광 산란 영역
을 포함하고,
상기 하나 이상의 광 산란 영역은 상기 기판 내에 반사 입자들을 포함하는, 발광 디바이스.As a light emitting device,
Light-emitting diode (LED) semiconductor layers including a light emitting surface, regions that generate light, and regions that do not generate light;
A substrate overlying the light emitting surface and attached to the LED semiconductor layers; And
One or more light scattering regions within the substrate that are over at least one of the LED semiconductor regions that do not generate light and are not over the LED semiconductor regions that generate light.
Including,
The light-emitting device, wherein the one or more light scattering regions comprise reflective particles within the substrate. 제1항에 있어서,
상기 기판은 상기 LED 반도체 층들이 에피택셜 성장된 성장 기판인, 발광 디바이스.The method of claim 1,
The light emitting device, wherein the substrate is a growth substrate on which the LED semiconductor layers are epitaxially grown. 제1항에 있어서,
상기 기판은 접착제에 의해 상기 LED 반도체 층들의 발광면에 부착되는, 발광 디바이스.The method of claim 1,
The light emitting device, wherein the substrate is attached to the light emitting surface of the LED semiconductor layers by an adhesive. 제1항에 있어서,
상기 하나 이상의 광 산란 영역은 반사 금속 입자들을 포함하는, 발광 디바이스.The method of claim 1,
The light-emitting device, wherein the one or more light scattering regions comprise reflective metal particles. 제1항에 있어서,
상기 하나 이상의 광 산란 영역 중 적어도 하나는 상기 LED 반도체 층들 내에 또는 아래에 놓이는 광 흡수 영역 위에 놓이도록 형성되는, 발광 디바이스.The method of claim 1,
The light-emitting device, wherein at least one of the one or more light scattering regions is formed to overlie a light absorbing region underlying or within the LED semiconductor layers. 제1항에 있어서,
상기 LED 반도체 층들을 위한 금속 콘택들을 더 포함하고, 상기 LED 반도체 층들은 N형 층과 P형 층을 포함하고, 상기 하나 이상의 광 산란 영역 중 적어도 하나는 상기 N형 층을 위한 금속 콘택 위에 형성되는, 발광 디바이스.The method of claim 1,
Further comprising metal contacts for the LED semiconductor layers, wherein the LED semiconductor layers include an N-type layer and a P-type layer, and at least one of the one or more light scattering regions is formed on the metal contact for the N-type layer. , Light emitting device. 제1항에 있어서,
상기 하나 이상의 광 산란 영역은 상기 기판의 측벽들을 따라 형성되는, 발광 디바이스.The method of claim 1,
The light-emitting device, wherein the one or more light scattering regions are formed along sidewalls of the substrate. 제1항에 있어서,
상기 기판은 파장 변환 재료를 포함하는, 발광 디바이스.The method of claim 1,
The light emitting device, wherein the substrate comprises a wavelength converting material. 제1항에 있어서,
상기 기판 위에 놓이는 형광체층을 더 포함하고, 상기 하나 이상의 광 산란 영역은, 광의 일부가 상기 형광체층을 향해 다시 반사되도록, 상기 LED 반도체 층들을 향해 방출된, 상기 형광체층으로부터의 광을 산란시키도록 배치되는, 발광 디바이스.The method of claim 1,
Further comprising a phosphor layer overlying the substrate, wherein the at least one light scattering region is to scatter light from the phosphor layer, emitted toward the LED semiconductor layers, such that a portion of the light is reflected back toward the phosphor layer. Arranged, light emitting device. 제1항에 있어서,
상기 하나 이상의 광 산란 영역 중 적어도 하나는 상기 LED 반도체 층들에 이웃한 상기 기판의 하부에 위치하는, 발광 디바이스.The method of claim 1,
At least one of the one or more light scattering regions is located under the substrate adjacent to the LED semiconductor layers. 제1항에 있어서,
상기 하나 이상의 산란 영역 중 적어도 하나는 상기 LED 반도체 층들로부터 떨어진 상기 기판의 상부에 위치하는, 발광 디바이스.The method of claim 1,
At least one of the one or more scattering regions is located on top of the substrate away from the LED semiconductor layers. 제1항에 있어서,
상기 기판은 상기 하나 이상의 광 산란 영역을 제외하고 투명한, 발광 디바이스.The method of claim 1,
The light emitting device, wherein the substrate is transparent except for the one or more light scattering regions. 발광 디바이스로서,
발광면, 광을 생성하는 영역들 및 광을 생성하지 않는 영역들을 포함하는 발광 다이오드(LED) 반도체 층들;
상기 발광면 위에 놓이며 상기 LED 반도체 층들에 부착되는 기판; 및
광을 생성하지 않는 LED 반도체 영역들 중 적어도 하나의 위에 있고, 광을 생성하는 LED 반도체 영역들 위에 있지 않은, 상기 기판 내에 있는 하나 이상의 광 산란 영역
을 포함하고,
상기 하나 이상의 광 산란 영역은 상기 기판 내에 반사 공극들을 포함하는, 발광 디바이스.As a light emitting device,
Light-emitting diode (LED) semiconductor layers including a light emitting surface, regions that generate light, and regions that do not generate light;
A substrate overlying the light emitting surface and attached to the LED semiconductor layers; And
One or more light scattering regions within the substrate that are over at least one of the LED semiconductor regions that do not generate light and are not over the LED semiconductor regions that generate light.
Including,
The light-emitting device, wherein the one or more light scattering regions comprise reflective voids within the substrate. 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete
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